CN110690474B - 一种质子交换膜燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明的质子交换膜燃料电池，一种质子交换膜燃料电池，包括，电池本体，所述电池本体包括中部的质子交换膜和设置在质子交换膜两侧的阳极和阴极；双向逆流式气体流通通道，向电池本体供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道包括向阴极、阳极供给对应极性所需气体的交叉型流道组件和向交叉型流道组件分配气体的双极板。通过双向逆流交叉型流道的结构设计，改变传统流道进气方向，使得流道两端气体浓度变得均匀，使得气体反应更加充分，有效提高电池性能；同时通过优化单电池双极板上的通道结构，匹配双向逆流交叉型流道的进气方式，加快气体流速，提高燃料电池排水性能，达到优化电池性能的目的。

Description

一种质子交换膜燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种质子交换膜燃料电池。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。以氢氧燃料电池为例，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递氢离子的介质，只允许氢离子通过，而氢气失去的电子则从导线通过，工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极，阴极即电源正极。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子（即质子）可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。电堆的核心是MEA组件和双极板，MEA组件包括催化层和气体扩散层，而双极板的功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。双极板的质量在质子交换膜燃料电池中超过60%，成本大于30%，是质子交换膜燃料电池的重要组成部件。双极流场在设计时需要考虑材质、流道等各项特征参数，并且直接关系到质子交换膜燃料电池的性能。据研究，科学有效的流道设计能使质子交换膜燃料电池性能提高，当前研究的流道形式主要是平行和蛇形，新型流道形式包括交指形、波浪形、网格、仿生及其组合形式等。

可以看出，现有关于质子交换膜燃料电池流道的研究设计都围绕在流道的外形设计，大多都是通过改变流道的数目和改善流道的拐角以改善流道内供气均匀性、排水、压降情况，例如一种在中国专利文献上公布的“质子交换膜燃料电池分体式阴极流道的优化结构”，其公告号“CN107681175A”，包括阴极流道的总长度设置N组分体设置在阴极流道中的挡气板、侧边上水板和中间上水板，这种结构中挡气板顺时针倾斜30度与阴极流道的侧壁面接触，中间上水板为T形结构，侧边上水板和中间上水板引导液态水沿阴极流道的上壁面流出，从而促进阴极产生水的排出和氧气的传输。但是不能在根本上解决反应气体浓度沿流道方向逐渐降低带来水管理和供气不足等问题。由于电池流道内气压扩散随着流道的方向逐渐降低，单向流道的气体进口处气压较大，而在流道出口气压降低，导致进口处气体浓度大高，出口气体浓度较低，使得流道内气体浓度不均匀，在气体高浓度处，由于气体过多使得部分气体不能被催化剂催化；在气体低浓度处，由于气体不够充分，使得催化剂的作用不能充分发挥。所以反应气体浓度沿流道方向依然呈现逐渐降低的情况，局部供气不足、反应不充分的现象依然存在。因此质子交换膜流道的改善不能仅仅从外形及结构入手，还需要在流道进气方向上进行深入研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池，解决了反应气体浓度沿流道方向逐渐降低，从而影响燃料电池催化反应效果而降低电池性能的问题：

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的质子交换膜燃料电池，一种质子交换膜燃料电池，包括，电池本体，所述电池本体包括中部的质子交换膜和设置在质子交换膜两侧的阳极和阴极；双向逆流式气体流通通道，向电池本体供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道包括向阴极、阳极供给对应极性所需气体的交叉型流道组件和向交叉型流道组件分配气体的双极板。

所述交叉型流道组件配合电池双极板构成两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道，所述两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道内的气体流动方向完全相反，第一组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道中的进气口与逆流向的第二组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道的出气口相邻，根据气体扩散原理，高浓度气体会向低浓度处扩散，使得阴极、阳极气体浓度在整个流道上更加平均分布，从而降低了气体的浓度消耗，使催化层所接触的阴极、阳极气体更加均匀，进而确保气体反应更加充分，催化作用更加明显，最终提高电池性能。并且与其他流道类型相比，结构与加工制造更加简单。

作为优选，所述交叉型流道组件包括交叉设置在阴极、阳极两侧并分别与阴极、阳极连通的阳极双向直线型流道和阴极双向直线型流道；所述双极板分设在交叉型流道组件上下两端并与交叉型流道组件连通；所述两组双向逆流式气体流通通道内部的气体流向相反。所述交叉型流道组件中的阳极双向直线型流道向阳极供给氧气，所述阴极双向直线型流道向电池本体的阴极供给氢气，确保电池阳极发生氧化还原反应，阴极发生氢气解离反应。

作为优选，所述阳极双向直线型流道包括平行设置的流道一和流道二，所述阴极双向直线型流道包括平行设置的流道三和流道四；所述阴极双向直线型流道包括平行设置的流道三和流道四。所述流道一和流道二中气体流向相反且不连通，但共同组成与阳极连通的用于供给氧气的阳极双向直线型流道；相应的，所述流道三和流道四中气体流向相反且不连通，但共同组成与阴极连通的用于供给氢气的阴极双向直线型流道。

作为优选，所述阳极包括贴合质子交换膜一侧设置的阳极电催化剂和贴合设置在阳极电催化剂外侧的阳极扩散层；所述阴极包括阴极电催化剂和贴合设置在阴极电催化剂外侧的阴极扩散层。所述阳极扩散层用以吸收来自阳极外侧流道提供的阳极气体，所述阳极催化剂用以将阳极扩散层吸收的阳极气体解离并产生质子和电子，并将质子输送至质子交换膜，将电子输送至外电路进而形成电流；所述阴极扩散层用以吸收来自阴极外侧流道提供的阴极气体，所述阴极催化剂用以配合来自质子交换膜的质子和来自外电路的电子将阴极气体还原。

作为优选，所述阳极双向直线型流道设置在阳极扩散层外侧，所述阴极双向直线型流道设置在阴极扩散层外侧。由于双向直线型流道平行设置且两条流道的气体浓度分布相反，所以阳极双向直线型流道设置在阳极扩散层外侧，可确保阳极扩散层各段吸收的阳极气体浓度均匀；相应的，所述阴极双向直线型流道设置在阴极扩散层外侧，确保阴极扩散层各段吸收的阴极气体浓度均匀。

作为优选，所述两双极板上设置有两组双层双排式结构的内部流场，所述两组内部流场将来自燃料电池外界的气体分配至交叉型流道组件的两组流道组中并将剩余气体导出燃料电池。所述交叉型流道组件两端双极板的内部流场相互配合形成连通于两条阴极、阳极双向逆流式气体流通通道的两组进、出气通道，所述两组进、出气通道交叉设置以配合交叉型流道组件，以确保实现两组双向逆流式气体流通通道中的交叉式逆流气体正常流动。

作为优选，所述两组双向逆流式气体流通通道包括彼此配合设置的两组内部流场和两组交叉型流道组件，所述两组双向逆流式气体流通通道中的第一组包括阳极气体流通路线一和阴极气体流通路线一，第二组包括阳极气体流通路线二和阴极气体流通路线二，所述阳极气体流通路线一与阳极气体流通路线二的气体流动方向相反，所述阴极气体流通路线一与阴极气体流通路线二的气体流动方向相反。阳极气体流通路线一和阴极气体流通路线一组成的双向逆流式气体流通通道一与阳极气体流通路线二和阴极气体流通路线二组成的双向逆流式气体流通通道二共同形成气体流向相反的两条交叉双向逆流式气体流通通道，保证了扩散层气体浓度均匀，进而提高质子交换膜燃料电池内部的反应效果，从而有效提升电池性能。

作为优选，所述交叉型流道组件一端双极板的内部流场包括阴极气体进气通道一和阳极气体进气通道一、阴极气体出气通道二、和阳极气体出气通道二；所述交叉型流道组件另一端双极板的内部流场包括阴极气体进气通道二和阳极气体进气通道二、阴极气体出气通道一、和阳极气体出气通道一。所述阴极气体进气通道一和阴极气体出气通道一为一组，构成一条阴极气体流通通道的进、出气口，所述阳极气体进气通道一和阳极气体出气通道一为一组，构成一条阳极气体流通路线的进、出气口，所述的阴极气体流通路线与阳极气体流通路线气体流向相同且共同构成一组完整的燃料电池气体运行路线，而另一条由阴极气体进气通道二、阴极气体出气通道二、阳极气体进气通道二和阳极气体出气通道二组成的完整的双向逆流式气体流通通道，气体流向与第一条双向逆流式气体流通通道气体流向完全相反。所述双极板的内部流场根据交叉型流道组件的结构进行设置，确保两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道能够完整连通。

作为优选，所述阳极气体流通路线一为依次连通的阳极气体进气通道一、流道一和阳极气体出气通道一，所述阳极气体流通路线二为依次连通的阳极进气通道二、流道二和阳极出气通道二；所述阴极气体流通路线一为依次连通的阴极进气通道一、流道三和阴极出气通道一，所述阴极气体流通路线二为依次连通的阴极进气通道二、流道四和阴极出气通道二。所述双向直线型流道配合双极板内部流场形成的进、排气口以确保两条完整的燃料电池气体运行路线交叉设置。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过双向逆流式气体流通通道的交叉型结构设计，改变传统流道进气方向，使得与电池极性接触的交叉型流道组件两端气体浓度变得均匀，进而确保平行于交叉型流道组件设置的极性扩散层各段从交叉型流道组件内吸收的气体浓度更加均匀，使得气体反应更加充分，催化作用更加明显，有效提高电池性能；（2）通过优化单电池双极板上的内部流场结构，使得双极板上与交叉型流道组件相接触的阴阳两极进气、出气流道口结构匹配交叉型流道组件的进气方式，从而提高交叉型流道组件与单电池阴阳两极进气、出气流道口接触面积，进而加快双向逆流式气体流通通道中的气体流速，提高燃料电池排水性能，达到优化电池性能的目的；（3）相较于传统方案中改善气体流道的形式以提高电池性能的方案，通过改变气体流道进气方式而仍然使用直线型流道，避免了复杂的流道设计及加工，降低生产成本。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2为图1中交叉型流道组件的结构示意图。

图3为实施例1中带有双层双排式内部流场的交叉型流道组件的结构示意图。

图4为阳极气体流通通道一和的阴极气体流通通道一的工作图。

图5为阳极气体流通通道二和的阴极气体流通通道二的工作图。

图6为实施例2中带有并列式内部流场的交叉型流道组件的结构示意图。

图中： 101、电池本体，1、质子交换膜，2、阳极，21、阳极电催化剂，22、阳极扩散层，3、阴极，31、阴极电催化剂，32、阴极扩散层，4、交叉型流道组件，41、阳极双向直线型流道，411、流道一，412、流道二， 42、阴极双向直线型流道，421、流道三，422、流道四，5、双极板，51、内部流场，511、阳极气体进气通道一，512、阴极气体进气通道一，513、阳极气体出气通道一，514、阴极气体出气通道一，521、阳极进气通道二，522、阴极气体进气通道二，523、阳极出气通道二，524、阴极气体出气通道二，531、阳极气体进气通道三，532、阴极气体进气通道三，533、阳极气体出气通道三，534、阳极气体出气通道三，541、阳极气体进气通道四，542、阴极气体进气通道四，543、阳极气体出气通道四，544、阳极气体出气通道四，6、双向逆流式气体流通通道，61、阳极气体流通路线一，62、阳极气体流通路线二，63、阴极气体流通路线一，64、阴极气体流通路线二，。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例中，一种质子交换膜燃料电池，包括，电池本体101，所述电池本体101包括中部的质子交换膜1和设置在质子交换膜1两侧的阳极2和阴极3；双向逆流式气体流通通道6，向电池本体101供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道6包括向阴极3、阳极2供给对应极性所需气体的交叉型流道组件4和向交叉型流道组件4分配气体的双极板5。所述交叉型流道组件4配合燃料电池双极板5构成两组双向逆流式气体流通通道6，所述两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道6内的气体流动方向完全相反，第一组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道6中阳极气体流通路线一61的进气口与逆流向的第二组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道中阳极气体流通路线二62出气口相邻，相应的，第一组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道6中的阴极气体流通路线一63的出气口与逆流向的第二组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道中的阴极气体流通路线二64进气口相邻，根据气体扩散原理，高浓度气体会向低浓度处扩散，使得阴极、阳极气体浓度在整个交叉型流道组件4上更加平均分布，从而降低了气体的浓度消耗，使催化层所接触的阴极、阳极气体更加均匀，进而确保气体反应更加充分，催化作用更加明显，最终提高电池性能，并且与其他流道类型相比，结构与加工制造更加简单。

本实施例中，阳极2气体为氧气，阴极3气体为氢气；而由于铂对阴、阳两个电机反应均具有催化活性，而且可长期工作，但是由于铂的价格昂贵，资源匮乏，造成质子交换膜1原料电池成本愈发高昂，所以现阶段均选用铂或是铂的金属合金作为所述阴极催化剂31、阳极催化剂21的材料。如图2，3所示，在设置双极板5的内部流场51时，由于采用双层双排式结构，而仍要确保内部流场51均与设置在阴极3、阳极2两侧的交叉型流道组件4连通，则需要在内部流场51中贴近交叉型流道组件4的一层通道上进行钻孔已形成过孔，以确保外侧通道能够通过过孔与对应的双向直线型流道相连通。

如图2所示，所述双向逆流交叉型流道4分为两组流向相反的阴极、阳极双向逆流式气体流通通道6，所述两组阴极、阳极双向逆流式气体流通通道6完全相反并形成交叉，而所述两组路线对应的阴极3、阳极2气体进、出气口也会根据路线走向相反设置。如图3、4所示，在完整的阳极气体流通路线一61和阴极气体流通路线一63中，氢气自阳极气体进气通道一511进入双极板5的内部流场51流入阳极双向直线型流道41中的流道一411中，大部分气体进入阳极扩散层22中，剩余未进入阳极扩散层22的气体进入阳极气体出气通道一513后排出燃料电池，由此形成第一组燃料电池气体运行路线中的阳极气体流动路线一61；相应的，氧气自阴极气体进气通道一512进入双极板5的内部流场51流入阴极双向直线型流道42中的流道三421中，大部分气体进入阴极扩散层32中，剩余未进入阴极扩散层32的气体进入阴极气体出气通道一514后排出燃料电池，由此形成第一组完整的燃料电池气体运行路线中的阴极气体流动路线一63；相应的，对于第二组完整的气体运行路线，这样的循环也在同步进行：氢气自阳极气体进气通道二521进入双极板5的内部流场51流入阳极双向直线型流道41中的流道二412中，大部分气体进入阳极扩散层22中，剩余未进入阳极扩散层22的气体进入阳极气体出气通道二523后排出燃料电池，由此形成第二组双向逆流式气体流通通道6中的阳极气体流动路线二62；相应的，氧气自阴极气体进气通道二522进入双极板5的内部流场51流入阴极双向直线型流道42中的流道四422中，大部分气体进入阴极扩散层32中，剩余未进入阴极扩散层32的气体进入阴极气体出气通道二524后排出燃料电池，由此形成第二组两条完整的双向逆流式气体流通通道6中的阴极气体流动路线二64。值得注意的是，阴极、阳极气体进入所对应的扩散层中，会进行与现有技术中氢氧燃料电池相同的化学反应；在本实施例中，通过将同时流通阳极气体却流向相反的流道一61和流道二62平齐设置在阳极扩散层22外侧，根据气体扩散原理，高浓度气体会向低浓度处扩散，使得反应气浓度在整个流道上更加平均分布，进而确保阳极扩散层22自阳极双向直线型流道41吸收的气体在阳极扩散层22各段是均匀的。在这之后，阳极气体通过阳极扩散层22进入阳极催化层21后，也避免了在气体高浓度处，由于气体过多使得部分气体不能被催化剂催化；在气体低浓度处，由于气体不够充分的情况发生，使得阳极气体能够以均匀的浓度与阳极催化层21接触并进行充分反应，使得催化作用更加明显，反应效果显著提高；而将阴极双向直线型流道42中同时流通阴极气体却流向相反的流道三421和流道四422平齐设置在阴极扩散层32外侧，也能获得与上述阳极双向直线型流道相同的优化，使得阴极气体能够以均匀的浓度与阴极催化层31接触并进行充分反应，进而提高催化作用，提升反应效果。质子交换膜1燃料电池的阳极2与阴极3同步接收来自双向逆流交叉型流道提供4的浓度均匀的气体并进行反应，可有效提高质子交换膜燃料电池的性能。

由质子交换膜1燃料电池现有技术可知，质子交换膜1燃料电池内部反应包括氢气的解离反应和氢离子的氧化还原反应，这其中的还原反应产生的水会聚集在燃料电池的阴极3，通过双层双排式气体式内部流场51的应用，使得双极板5的内部流场51与单电池阴极3、阳极2的进气、出气流道口接触面积更大，气体流速更快，较快的气体流速可将还原反应生成的水快速带离燃料电池内部的反应结构并排出，因此这种结构可有效提高质子交换膜燃料电池的排水性能。

如图6所示的实施例2中，提供了另一种双极板5的内部流场51结构，相较于实施例1中双层双排式内部流场51，这种并列式内部流场虽然与双向逆流交叉型流道4的接触面积缩小，使得气体流速降低，但是这种结构更加简单，并且避免了实施例1中对双极板内部流场51进行钻孔的工作，有效降低了生产成本。这种并列式内部流场的工作模式区别于双层双排式内部流场51，而更接近于现有技术中的双极板内部流场的工作模式。不过值得注意的是，这种并列式内部流场仍服务于双向逆流交叉型流道4，所以并列的四条气体流道分为两组，所述阳极气体进气通道三531与阴极气体进气通道三532作为一组完整的进气通道，而阳极气体出气通道三533与阴极气体出气通道三534为一组出气通道并配合阳极气体进气通道三531与阴极气体进气通道三534，服务于流道一411和流道三421，以共同形成一条完整的双向逆流式气体流通通道6；相应的，所述阳极气体进气通道四541与阴极气体进气通道四542作为一组完整的进气通道，而阳极气体出气通道四543与阴极气体出气通道四544为一组出气通道并配合阳极气体进气通道四541与阴极气体进气通道四542，服务于流道二412和流道四422，以形成另一条完整的双向逆流式气体流通通道6，两条完整的双向逆流式气体流通通道6气体流向相反但协同工作，保证了质子交换膜燃料电池的阳极2与阴极3同步接收来自双向逆流交叉型流道4提供的浓度均匀的气体并进行反应，进而有效提高质子交换膜燃料电池的性能。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池，其特征是包括，

电池本体（101），所述电池本体（101）包括中部的质子交换膜（1）和设置在质子交换膜（1）两侧的阳极（2）和阴极（3）；

双向逆流式气体流通通道（6），向电池本体（101）供给气体的气路，所述双向逆流式气体流通通道（6）包括向阴极（3）、阳极（2）供给对应极性所需气体的交叉型流道组件（4）和向交叉型流道组件（4）分配气体的双极板（5）；

所述双极板（5）分设在交叉型流道组件（4）上下两端并与交叉型流道组件（4）连通；

所述双向逆流式气体流通通道（6）数目为两组，两组双向逆流式气体流通通道（6）包括彼此配合设置的两组内部流场（51）和两组交叉型流道组件（4），所述两组双向逆流式气体流通通道（6）中的第一组包括阳极气体流通路线一（61）和阴极气体流通路线一（63），第二组包括阳极气体流通路线二（62）和阴极气体流通路线二（64）；

所述阳极气体流通路线一（61）为依次连通的阳极气体进气通道一（511）、流道一（411）和阳极气体出气通道一（513），所述阳极气体流通路线二（62）为依次连通的阳极进气通道二（521）、流道二（412）和阳极出气通道二（523）；

所述阴极气体流通路线一（63）为依次连通的阴极进气通道一（512）、流道三（421）和阴极出气通道一（514），所述阴极气体流通路线二（64）为依次连通的阴极进气通道二（522）、流道四（422）和阴极出气通道二（524）， 所述两组双向逆流式气体流通通道（6）内部的气体流向相反。

2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述交叉型流道组件（4）包括交叉设置在阴极（3）、阳极（2）两侧并分别与阴极（3）、阳极（2）连通的阳极双向直线型流道（41）和阴极双向直线型流道（42）。

3.根据权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述阳极双向直线型流道（41）包括平行设置的流道一（411）和流道二（412）；所述阴极双向直线型流道（42）包括平行设置的流道三（421）和流道四（422）。

4.根据权利要求2或3所述一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述阳极（2）包括贴合质子交换膜（1）一侧设置的阳极电催化剂（21）和贴合设置在阳极电催化剂（21）外侧的阳极扩散层（22）；所述阴极（3）包括阴极电催化剂（31）和贴合设置在阴极电催化剂（31）外侧的阴极扩散层（32）。

5.根据权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，所述阳极双向直线型流道（41）设置在阳极扩散层（22）外侧，所述阴极双向直线型流道（42）设置在阴极扩散层（32）外侧。

6.根据权利要求 4所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是，两 所述双极板（5）上设置有两组双层双排式结构的内部流场（51），所述两组内部流场（51）分别作为进气端和出气端并将来自燃料电池外界的气体分配至交叉型流道组件（4）的两组流道组中并将剩余气体导出燃料电池。

7.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池，其特征是；所述阳极气体流通路线一（61）与阳极气体流通路线二（62）的气体流动方向相反，所述阴极气体流通路线一（63）与阴极气体流通路线二（64）的气体流动方向相反。

Images